Diseño conceptual y simulación de columnas de destilación reactiva implementando termodinámica topológica a condiciones finitas de operación

Abstract

Se presenta un trabajo de carácter teórico que está orientado a suplir las dificultades que se generan en la simulación por modelos rigurosos para columnas de destilación reactiva. La metodología desarrollada en este trabajo proporciona estimados iniciales más precisos y objetivos, permitiendo visualizar y diseñar conceptualmente el esquema más apropiado de separación de una mezcla multicomponente por destilación convencional o por destilación reactiva. Para el desarrollo de este objetivo, la metodología propuesta esta apoyada en el estudio de la termodinámica topológica como herramienta fundamental para cualificar y cuantificar las posibilidades de separación de una mezcla multicomponente.De forma general la metodología requerirá conocer la topología del espacio concentracional de la mezcla, evaluar y conocer las regiones de separación a partir de la termodinámica topológica a régimen de infinito numero de etapas e infinito reflujo, evaluar las condiciones mínimas de operación para las cuales pudiese darse una separación de la mezcla objetivo, evaluar el comportamiento del equilibrio de fases en presencia de reacciones químicas y conocer las regiones de separación para la destilación reactiva a reflujo finito e infinito. De esta manera puede conocerse las posibles composiciones de productos que se obtendrían por destilación convencional y su potencial diseño, visualizado a partir de la construcción de de un concepto que denominaremos “hoja de operación”.. Si esta mezcla puede obtenerse por medio de una reacción química entonces estos conceptos mencionados anteriormente, se evaluaran teniendo en cuenta la presencia de dicha reacción química y así obtener una gama de ideas iniciales sobre una posible configuración de una columna de destilación reactiva y zonas de posibles productos. Se planteará esta metodología para columnas reactivas híbridas y no híbridas. El siguiente diagrama de flujo muestra en forma detallada como operará la metodología que se desarrollará en este trabajo. / Abstract: Se presenta un trabajo de carácter teórico que está orientado a suplir las dificultades que se generan en la simulación por modelos rigurosos para columnas de destilación reactiva. La metodología desarrollada en este trabajo proporciona estimados iniciales más precisos y objetivos, permitiendo visualizar y diseñar conceptualmente el esquema más apropiado de separación de una mezcla multicomponente por destilación convencional o por destilación reactiva. Para el desarrollo de este objetivo, la metodología propuesta esta apoyada en el estudio de la termodinámica topológica como herramienta fundamental para cualificar y cuantificar las posibilidades de separación de una mezcla multicomponente.De forma general la metodología requerirá conocer la topología del espacio concentracional de la mezcla, evaluar y conocer las regiones de separación a partir de la termodinámica topológica a régimen de infinito numero de etapas e infinito reflujo, evaluar las condiciones mínimas de operación para las cuales pudiese darse una separación de la mezcla objetivo, evaluar el comportamiento del equilibrio de fases en presencia de reacciones químicas y conocer las regiones de separación para la destilación reactiva a reflujo finito e infinito. De esta manera puede conocerse las posibles composiciones de productos que se obtendrían por destilación convencional y su potencial diseño, visualizado a partir de la construcción de de un concepto que denominaremos “hoja de operación”.. Si esta mezcla puede obtenerse por medio de una reacción química entonces estos conceptos mencionados anteriormente, se evaluaran teniendo en cuenta la presencia de dicha reacción química y así obtener una gama de ideas iniciales sobre una posible configuración de una columna de destilación reactiva y zonas de posibles productos. Se planteará esta metodología para columnas reactivas híbridas y no híbridas. El siguiente diagrama de flujo muestra en forma detallada como operará la metodología que se desarrollará en este trabajo. / Abstract. When designing conventional and non-conventional distillation processes shortcut methods for predicting feasible separations are widely used. The thermodynamic topological analysis based on phase equilibrium and distillation maps study is a good approach allowing the knowledge of basic tower configuration at extreme conditions (infinite efficiency: total reflux and infinite number of stages). At these conditions usually the prediction is qualitatively approximate to that at total reflux. However some times the prediction strong differs from that, found during rigorous simulation. Additionally because of the infinite efficiency these regimes are not the optimal from the point of view of energy consumption. Making the thermodynamic topological analysis at finite reflux gives a closed region into the concentration simplex where feasible separations take place with a limit of minimal reflux number (minimal energy consumption). Multicomponent no ideal mixtures f with different arranges of distillation maps are studied and the distillation configuration as well as parameters for rigorous simulation are presented. The mathematical method for solving the differential equations systems involved in phase equilibrium models is innovative and characterized by accuracy and low time calculations. All this information is used and explained as a way for the analysis of reactive distillation processes at finite reflux, additionally the computing of simultaneous chemical and physical equilibrium was made implemented an algorithm based y the mass conservation and Gibb’s energy minimization. The methodology proposed in this work can be synthesized in the next flow diagram.